DE4230919A1 - Single borehole method and device for simultaneous determination of the direction and speed of groundwater flow - Google Patents

Single borehole method and device for simultaneous determination of the direction and speed of groundwater flow

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DE4230919A1
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Abstract

State-of-the-art bore hole processes mostly use radioisotopes, dyes or other tracer substances, and groundwater flow characteristic values are usually detected by tracer concentration variations per unit of time. Radial tracer diffusion, as well as the tracer transport time elapsed between tracer input and detection have a negative effect on measurement times at low speeds of flow. The disclosed videotechnical measurement process should supply reliable data, in particular on very small flows, in a substantially shorter time. In order to record the smallest flow movements within the shortest period of time, a horizontal image plane is videotechnically detected in the area of the free flow of groundwater in the measurement section of the bore hole, so that virtual image parameters focussed by optic elements on the CCD-video sensor module ideally correspond to the observed, real image parameters. A tracer in the form of one or several fluorescent particles, is released on this image plane, is horizontally transported in suspension within the flow at the level of the image plane and is excited so as to become self-luminescent. Location deviations of the tracer particles caused by transport in the flow are continuously registered as a displacement of the virtual light source on the CCD-matrix sensor surface and directly evaluated. This process is useful for rapidly detecting the direction and speed of flow of optically transparent, monophasic fluid media, in particular groundwater disturbances, by a single bore hole process.

Description

Die Erfindung betrifft ein videotechnisches Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur gleich­ zeitigen Feststellung der Grundwasser-Strömungsrichtung und -geschwindigkeit in einem Bohrloch. Die Ermittlung erfolgt mittels videotechnischer Registrierung von strömungsbedingten Standortänderungen optisch erkennbarer Tracer auf einer parallel zur freien Strömung verlaufenden Bildebene innerhalb eines grundwassererfüllten Meß­ raumes im Bohrloch. Zur Unterbindung störender Vertikalströmungen, aber auch zur Arretierung der Sonde im Bohrloch, sind oberhalb und unterhalb des Meßbereiches Packervorrichtungen vorgesehen. Abpackerungs- und Registriervorrichtung können zusammen als Sonde ausgeführt sein, welche in die entsprechende Solltiefe der Bohrung abgeteuft werden kann. Je nach Ausführung der Packervorrichtung ist der Einsatz des Verfahrens für alle Bohrlochdurchmesser größer als 2′′ geeignet. Der videotechnisch betrachtete Ausschnitt der fokussierten Bildebene ist stationär bezüglich der Bohrwandung und liegt im Bereich der freien horizontalen Grundwasser­ durchströmung innerhalb des Meßraumes. Als Tracer dienen vorzugsweise fluores­ zierende Partikel, die auf der fokussierten Bildebene freigesetzt, und mit einer geeigneten Lichtquelle zur Eigenlichtemission angeregt werden. Diese Tracerpartikel werden entsprechend der herrschenden Strömung (Filtergeschwindigkeit vF) suspendierend horizontal auf der Bildebene transportiert. Zum Zweck der Erfassung sehr kleiner Bewegungsabläufe entspricht die optische Auflösung der betrachteten Bildebenenfläche idealerweise der videotechnischen Auflösung des verwendeten, zweidimensional erfassenden CCD-Matrixsensormoduls. Somit entspricht die mittels einer optischen Vorrichtung auf die Videosensorfläche projezierte virtuelle Bild- bzw. Gegenstandsgröße idealerweise der realen Bild- bzw. Gegenstandsgröße auf der betrachteten Bildebene. Zur Eliminierung von anderen Lichtquellen als das von den Tracerpartikeln reemittierte Fluoreszenzlicht sind Emissionsfilter vorgesehen, wodurch aufgrund der resultierenden hell/dunkel Kontrastierung ,eine gute videotechnische Erfassung gewährleistet wird. Die während der Messung registrierten Signale werden an der Erfassungsvorrichtung zu digitalen Rohdaten aufgearbeitet, die direkt gespeichert oder weiter zur Erdoberfläche geleitet und sofort per PC zur Ermittlung der End­ daten verarbeitet werden können. The invention relates to a video-technical method and a device for simultaneously determining the direction and speed of the groundwater flow in a borehole. The determination is carried out by means of video-technical registration of flow-related changes in location of optically recognizable tracers on an image plane running parallel to the free flow within a groundwater-filled measuring room in the borehole. Packing devices are provided above and below the measuring range to prevent interfering vertical flows, but also to lock the probe in the borehole. The packing and registration device can be designed together as a probe, which can be sunk into the corresponding target depth of the bore. Depending on the design of the packer device, the use of the method is suitable for all borehole diameters larger than 2 ''. The video-technically viewed section of the focused image plane is stationary with respect to the drilling wall and lies in the area of the free horizontal groundwater flow within the measuring room. Fluorescent particles, which are released on the focused image plane and are excited with a suitable light source to emit their own light, are preferably used as the tracer. These tracer particles are transported suspended horizontally on the image plane in accordance with the prevailing flow (filter speed v F ). For the purpose of capturing very small movements, the optical resolution of the image plane surface under consideration ideally corresponds to the video resolution of the two-dimensionally capturing CCD matrix sensor module used. Thus, the virtual image or object size projected onto the video sensor surface by means of an optical device ideally corresponds to the real image or object size on the image plane under consideration. Emission filters are provided for eliminating light sources other than the fluorescent light re-emitted by the tracer particles, which ensures good video-technical detection due to the resulting light / dark contrasting. The signals registered during the measurement are processed to digital raw data on the recording device, which can be stored directly or passed on to the earth's surface and immediately processed by PC to determine the end data.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Untergrund- und Grundwasserströmungen nach dem Einzel-Bohrloch-Verfahren bekannt. Einige Verfahren, wie beispielsweise in der DT-AS 12 71 412 beschrieben, basieren auf der Erkenntnis, daß die Verdünnung als Funktion der Zeit eines im Bohrloch radioaktiv markierten Grundwasser- Meßvolumens proportional der zugeströmten Menge von nicht markiertem Grundwasser ist. Die Ermittlung der in das Meßvolumen zugeströmten unmarkierten Wassermenge ermöglicht einen Rückschluß auf die Grundwasser­ durchströmung des Bohrlochs. Bei diesen Methoden wird das Grundwasser im Meß­ abschnitt des Bohrlochs homogen mit kurzlebigen, radioaktiven Isotopen markiert. Anschließend wird mit einer geeigneten Sonde Richtung und Geschwindigkeit der im Bohrloch abnehmenden Strahlungsintensität ermittelt, die durch die horizontale Durch­ strömung des Bohrlochs von Grundwasser verursacht wird. Die Registrierung der Isotopenstrahlung erfolgt mit Szintillationszählern oder Geiger-Müller-Zählrohren, die zur gleichzeitigen Ermittlung der Grundwasser-Strömungsrichtung einerseits als kollimierte Detektoren ausgeführt sind. Diese Ausführung in Form einer drehbaren, zylindrischen Bleiabschirmung weist einen Spalt zum Passieren der Strahlung auf und kann somit eine 360° Verteilung der Strahlungskonzentration im Bohrloch erfassen. Andererseits können mehrere Detektoren in einer richtungsabhängigen Anordnung auf einer horizontalen Ebene mit speziell gestalteten Bleiabschirmungen eingesetzt werden.There are already methods and devices for determining underground and Groundwater flows known by the single borehole method. Some procedures as described in DT-AS 12 71 412, for example, are based on the knowledge that that thinning as a function of time radioactively labeled one in the borehole Groundwater measurement volume proportional to the flow of not marked groundwater. The determination of the flow into the measuring volume unmarked amount of water allows a conclusion on the groundwater flow through the borehole. With these methods, the groundwater is measured section of the borehole homogeneously marked with short-lived, radioactive isotopes. Then, with a suitable probe, the direction and speed of the Borehole decreasing radiation intensity determined by the horizontal through flow of the borehole is caused by groundwater. Registration of the Isotope radiation takes place with scintillation counters or Geiger-Müller counter tubes for the simultaneous determination of the groundwater flow direction on the one hand as collimated detectors are executed. This version in the form of a rotatable, cylindrical lead shield has a gap for passing the radiation and can thus detect a 360 ° distribution of the radiation concentration in the borehole. On the other hand, several detectors can be arranged in a direction-dependent arrangement a horizontal plane with specially designed lead shields.

Eine andere Methode, wie beispielsweise aus der DT 21 57 848 C3 bekannt, ermittelt die Strömungskennwerte aus der Verlagerung einer in die zu vermessende Strömung injizierten Tracerwolke, deren Bewegungskennwerte mittels einer Anordnung von speziell abgeschirmten Detektoren um die Injektionsstelle herum erfaßt werden.Another method, as known for example from DT 21 57 848 C3, is determined the flow characteristics from the shift of a flow into the flow to be measured injected tracer cloud, the movement characteristics of which by means of an arrangement of specially shielded detectors around the injection site can be detected.

Radiometrische Einzel-Bohrloch-Verfahren sind von der Gesellschaft für Strahlen- und Umweltforschung mbH München/Neuherberg1 weiterentwickelt worden.Radiometric single borehole methods have been further developed by the Gesellschaft für Strahl- und Umweltforschung mbH Munich / Neuherberg 1 .

Aufgrund der aufwendigen Arbeitsweise mit radioaktiven Isotopen wurde ein weiteres, auch auf der Verdünnungsmethode basierendes Einzel-Bohrloch-Verfahren entwickelt2. Hierbei wird ein fluoreszierender Farbstoff, vorzugsweise Uranin, in einem abgepackerten Meßabschnitt des Bohrloches homogen im Wasser verteilt. Mittels eines dünnen Lichtleiter-Fasers wird monochromatisches bzw. kohärentes Licht in das markierte Wasser geleitet. Der Lichtstrahl tritt aus einem kleinen Zwei-Lichtfaser-Sondenkopf, in dem Sende- und Empfänger-Lichtleiter parallel nebeneinander enden, in den Meß­ raum. Das in den Meßraum eingeleitete Licht wird von dem Farbstoff absorbiert, wodurch dieser zur Reemittierung von Licht bestimmter Wellenlänge angeregt wird. Due to the complex method of working with radioactive isotopes, another single borehole process, also based on the dilution method, was developed 2 . Here, a fluorescent dye, preferably uranine, is homogeneously distributed in the water in a packaged measuring section of the borehole. Using a thin fiber optic fiber, monochromatic or coherent light is directed into the marked water. The light beam emerges from a small two-optical fiber probe head, in which the transmitter and receiver light guides end in parallel next to each other, into the measuring room. The light introduced into the measuring space is absorbed by the dye, whereby it is excited to re-emit light of a certain wavelength.

Dieses Licht wird mittels des zweiten Glasfaser-Lichtleiters im Sondenkopf über einen Emissionsfilter zu einem Fotodetektor außerhalb des Bohrlochs geleitet, der die Intensität des reemittierten Lichts ermittelt. Die gemessene Intensität ist proportional der am Sondenkopf herrschenden Farbstoffkonzentration. Die Farbstoff-Konzentrations­ abnahme bzw. -Verdünnung als Funktion der Zeit gibt Aufschluß über die ins Meß­ volumen zuströmende Wassermenge und somit auch der Strömungsgeschwindigkeit. Zur Ermittlung der Richtung der Konzentrationsabnahme des Farbstoffes bzw. der Grundwasser-Strömungsrichtung, wird eine Anordnung von mindestens drei der beschriebenen Sondenköpfe auf einer horizontalen Ebene ins Bohrloch eingebracht, die mittels eines kontinuierlichen Vergleichs der an den jeweiligen Sondenkopf herrschenden Farbstoffkonzentration Aussagen über die Strömungsrichtung ermöglichen.This light is transmitted through the second fiber optic light guide in the probe head passed an emission filter to a photodetector outside the borehole, which the Intensity of the re-emitted light determined. The measured intensity is proportional the dye concentration at the probe head. The dye concentration Decrease or dilution as a function of time provides information about the measurement volume of inflowing water and thus also the flow velocity. To determine the direction of the decrease in the concentration of the dye or Groundwater flow direction, an arrangement of at least three of the inserted probe heads into the borehole on a horizontal plane, by means of a continuous comparison of the to the respective probe head prevailing dye concentration allow statements about the flow direction.

Ein weiteres Verfahren ist aus der JP 63106589 A 880511 bekannt, wo im Bohrloch eine künstliche Grundwasseroberfläche unterhalb eines nach oben konkav gewölbten Hohlraumes mittels einer subaquatischen Gaszelle erzeugt wird. Auf der künstlichen Grundwasseroberfläche wird ein schwimmender Tracer freigesetzt, der sich mit der an der Wasseroberfläche wirkenden Strömung bewegt. Die Tracerbewegungen auf dieser Wasseroberfläche können mittels einer Kamera von oben verfolgt werden.Another method is known from JP 63106589 A 880511, where in the borehole an artificial groundwater surface below a concave surface Cavity is generated by means of a subaquatic gas cell. On the artificial A floating tracer is released from the surface of the groundwater current acting on the water surface. The tracer movements on this water surface can be tracked from above using a camera.

Beim letzteren Verfahren können Miniskuseffekte an den Grenzflächen, elektrostatische Aufladungen und Strömungsanomalien an der Phasengrenze die Messergebnisse stark beeinflussen.In the latter method, miniskus effects at the interfaces can be electrostatic Charges and flow anomalies at the phase boundary make the measurement results strong influence.

Die Anwendung radiometrischer Methoden ist aufgrund der Verwendung radioaktiver Isotope sehr aufwendig und setzt entsprechende Sicherheitsvorkehrungen sowie Genehmigungsverfahren voraus. Fast alle radiometrischen und Fluoreszenztracer­ methoden zur Ermittlung der Grundwasserströmung nach dem Einzel-Bohrloch-Verfahren basieren auf der Verdünnungsmethode. Bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten wirkt sich die radiale Diffusion des Tracers und das resultierende geringe Konzentrations­ gefälle als Funktion der Zeit sehr nachteilig auf die Meßzeit aus, die bei Strömungen von 10-5 m/s pro Messung bis zu einer Stunde betragen kann1. Auch bei der Verfolgung kleiner Tracermengen, die in die Strömung ohne eine anschließende Durchmischung des gesamten Meßvolumens injiziert werden, kann die radiale Diffusion der Tracerwolke sehr kleine Strömungen überdecken. Auch die Weg/Zeit Distanz zwischen Freisetzung der Tracerwolke und Detektor macht bei sehr kleinen Strömungs­ geschwindigkeiten lange Meßzeiten erforderlich. Aufgrund langer Meßzeiten und den damit verbundenen Kosten muß die Verläßlichkeit einer jeden Messung gegeben sein. The use of radiometric methods is very complex due to the use of radioactive isotopes and requires appropriate safety precautions and approval procedures. Almost all radiometric and fluorescence tracer methods for determining the groundwater flow using the single borehole method are based on the dilution method. At very low flow velocities, the radial diffusion of the tracer and the resulting low concentration gradient as a function of time have a very disadvantageous effect on the measuring time, which can be up to one hour for flows of 10 -5 m / s per measurement 1 . Even when tracking small amounts of tracer, which are injected into the flow without subsequent mixing of the entire measurement volume, the radial diffusion of the tracer cloud can cover very small flows. The path / time distance between the release of the tracer cloud and the detector also requires long measuring times at very low flow rates. Due to long measurement times and the associated costs, the reliability of each measurement must be given.

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde.The invention is based on the following objects.

  • 1. Es sollen Grundwasser-Strömungen innerhalb eines wesentlich kürzeren Zeitraumes als mit bisherigen Methoden ermittelt werden.1. There should be groundwater flows within a much shorter period than can be determined with previous methods.
  • 2. Standortveränderungen des Tracers sollte auch in leicht verunreinigtem Grundwasser für den Zeitraum der Messung videotechnisch gut registrierbar sein.2. Changes in the location of the tracer should also occur in slightly contaminated groundwater be technically easily recordable for the duration of the measurement.
  • 3. Eine Kontamination des Grundwassers durch Tracersubstanzen soll so gering wie möglich gehalten werden.3. Contamination of the groundwater by tracer substances should be as low as be kept possible.
  • 4. Fehlmessungen sollten so gering wie möglich auftreten bzw. rasch aufgedeckt werden können. Die Messungen sollen verläßliche Daten liefern.4. Incorrect measurements should occur as little as possible or be uncovered quickly can be. The measurements should provide reliable data.
  • 5. Die ermittelten Daten sollen unmittelbar nach der Messung zur Verfügung stehen.5. The determined data should be available immediately after the measurement.

Die Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt gelöst:The tasks are solved by the method according to the invention as follows:

Zu 1.: Die optische Auflösung des CCD-Matrixsensormoduls wird auf die betrachtete, fokkusierte Bildebene idealerweise im Maßstab 1 : 1 übertragen, d. h. die mittels einer optischen Vorrichtung auf die CCD-Matrixsensorfläche erzeugten virtuellen Bildgröße entspricht idealerweise der realen Bildgröße des fokkusierten Bildebenenausschnitts. Derzeit gebräuchliche CCD-Matrixsensormodule besitzen ein flächig videotechnisch­ optisches Auflösungsvermögen von mehreren µm. Daher ist es möglich, in laminar strömenden, optisch transparenten Fluiden, Standortveränderungen von mittransportier­ ten Tracermedien rasch zu erfassen. Beispielsweise können somit Strömungen von 10-7m/s, ( = 0,1 µm/s), innerhalb einer Minute in Richtung und Geschwindigkeit erfaßt werden. Die Registrierung von Bewegungsabläufen bei größeren Strömungs- Geschwindigkeiten beispielsweise 10-2 m/s, wird durch die hohe Abtastfrequenz des CCD-Matrixsensormoduls ermöglicht.Re 1 .: The optical resolution of the CCD matrix sensor module is ideally transferred to the viewed, focused image plane on a scale of 1: 1, ie the virtual image size generated by means of an optical device on the CCD matrix sensor surface ideally corresponds to the real image size of the focused image plane section. CCD matrix sensor modules currently in use have a surface resolution of several µm in terms of video technology. It is therefore possible to quickly detect changes in the location of tracer media transported in laminar flowing, optically transparent fluids. For example, flows of 10 -7 m / s (= 0.1 µm / s) can be detected in the direction and speed within one minute. The registration of motion sequences at higher flow speeds, for example 10 -2 m / s, is made possible by the high sampling frequency of the CCD matrix sensor module.

Zu 2.: Die Beobachtbarkeit des Tracers ist dadurch gewährleistet, daß idealerweise ein fluoreszierendes Medium eingesetzt wird, welches mit monochromatischen bzw. kohärentem Licht bestrahlt wird. Das vom Tracer reemittierte Licht, das vorzugsweise im Spektralbereich der maximalen Empfindlichkeit des CCD-Zeilensensormoduls liegt, wird über einen Emissionsfilter, der nur Licht von der Wellenlänge des von den Tracerpartikeln reemittierten Lichts passieren läßt, auf die Sensorfläche geleitet. So werden durch Trübstoffe oder Streulicht verursachte videotechnische Registrierungs­ fehler vermieden und eine optimale Lichtausbeute und Kontrastierung gewährleistet. Durch eine entsprechend gewählte Tracerpartikelgröße wird eine Beeinflussung durch Brownsche Molekularbewegung und somit eine Diffusion weitgehend vermieden. Die Dichte der Tracerpartikel entspricht weitestgehend der des umgebenden Mediums, wodurch im Zusammenwirken mit der Partikelgröße eine sehr lange Suspensionsdauer, mehr oder weniger unabhängig von Druck, Temperatur, Dichte und Chemismus des Suspensionsmediums, gewährleistet wird. Da Grundwasser fast immer laminar strömt, ist auch die Gefahr der Verwirbelung der Tracer im betrachteten Bildebenenausschnitt sehr gering. Somit verbleiben die Tracermedien für die Dauer der Messung lange genug auf der beobachteten, horizontalen Bildebene in Suspension und videotechnisch gut verfolgbar.Re 2 .: The observability of the tracer is guaranteed by ideally a fluorescent medium is used, which with monochromatic or coherent light is irradiated. The light re-emitted by the tracer, preferably lies in the spectral range of the maximum sensitivity of the CCD line sensor module, is through an emission filter that only emits light of the wavelength of the Allows tracer particles of re-emitted light to pass through the sensor surface. So are video-technical registration caused by turbidity or scattered light errors avoided and optimal light output and contrast guaranteed. An appropriately selected tracer particle size influences Brownian molecular motion and thus diffusion are largely avoided. The Density of the tracer particles largely corresponds to that of the surrounding medium,  which, in cooperation with the particle size, has a very long suspension time, more or less independent of pressure, temperature, density and chemistry of the Suspension medium is guaranteed. Since groundwater almost always flows laminar, is also the danger of the tracers being swirled in the image plane section considered very low. Thus, the tracer media remain long for the duration of the measurement enough on the observed horizontal image plane in suspension and video technology easy to track.

Zu 3.: Aufgrund der sehr hohen videotechnischen Auflösung des beobachteten Bildebenenausschnitts ist ein Einsatz von 0,1 mg Tracersubstanz pro Messung zur Kenntlichmachung der Strömung ausreichend, so daß keine Belastung des Grundwassers auftritt. Auch kann die Tracersubstanz nach der Messung abgesaugt werden.3 .: Due to the very high video resolution of the observed Image plane section is an application of 0.1 mg tracer substance per measurement Identification of the flow sufficient so that no pollution of the groundwater occurs. The tracer substance can also be suctioned off after the measurement.

Zu 4.: Aufgrund der kurzen Meßzeiten ist es möglich, mehrere aufeinanderfolgende Referenzmessungen durchzuführen oder den Meßtiefenabstand im Bohrloch zu verkleinern, um so eine statistische Sicherheit der Meßgenauigkeit zu gewährleisten. Meßfehler können somit schnell entdeckt und ausgeschaltet werden.To 4 .: Due to the short measuring times, it is possible to have several successive ones To carry out reference measurements or the measuring depth distance in the borehole reduce in size in order to ensure statistical certainty of the measurement accuracy. Measurement errors can thus be quickly detected and eliminated.

Zu 5.: Die Bewegungsabläufe der Tracer werden unmittelbar nach deren Freisetzung videotechnisch registriert und die Signale in digitale Rohdaten umgewandelt. Diese können direkt gespeichert, oder nach Weiterleitung zu einem PC außerhalb des Bohr­ loches unter Einbeziehung zusätzlicher Bohrlochkenndaten sofort zu Enddaten weiter­ verarbeitet werden, welche vor Ort angezeigt und gespeichert werden können.To 5 .: The tracers' movements become immediate after their release recorded by video technology and the signals converted into digital raw data. This can be saved directly or after forwarding to a PC outside the drill loches immediately including final data, including additional well data processed, which can be displayed and saved on site.

Abb. 1 und 2 stellen schematisch ein Ausführungsbeispiel dar: Fig. 1 and 2 schematically represent an embodiment:

Die Vorrichtung zur videotechnischen Erfassung, bestehend aus CCD-Videosensormodul (1), Emissionsfilter (10) und Optik (7), bildet zusammen mit Tracergebereinheit (3) und Vorrichtung zur Freisetzung des der Tracersubstanz (3a) sowie der Beleuchtungs­ vorrichtung (13a, 8) eine Einheit, die in einem den Meßraum bildenden Bohrlochabschnitt zwischen zwei Packern (4a, b) angeordnet ist. Die gesamte. Vorrichtung ist als Sonde ausgeführt, mit der ein unverrohrtes oder mit Filterrohren ausgekleidetes Bohrloch beschickt werden kann. Je nach Ausführung der Packervorrichtungen (4a, b) ist der Einsatz der Methode für alle Bohrlochdurchmesser größer als 2′′ geeignet. Oberer und unterer Packerabschnitt (4a, b) ist durch mindestens drei dünne Hohlrohre (5a, b, c), die randlich am Meßraum vorbeigeführt werden, starr verbunden. Sie dienen zusätzlich zur Aufnahme von elektrischen Leitungen für den Kompaß (12) und Druckleitungen (16) zum Aufpumpen der Packer (4a, b), sowie als Bypass (5a) für Vertikalströmungen im Bohrloch. Vertikale Strömungen im Meßraum der Sonde werden durch die Packer (4a, b) unterbunden. Im Meßabschnitt, insbesonders auf Höhe der Bildebene (2), kann das Grundwasser das Bohrloch frei durchströmen. Der Meßraum kann während der Abteufung der Sonde durch eine umlaufend abdichtende Abschirmung geschützt werden. Im Meßraum ist das Videosensormodul (1) mit Optik (7) und Emissionsfilter (10) sowie Lichtquellenaustritt (8) und Tracergebervorrichtung (3, 3a) in bestimmten Abständen untereinander angeordnet und starr mittels drei dünnen Streben (5d, e, f) miteinander verbunden. Diese Einheit ist freikardanisch aufgehangen (9), so daß die betrachtete Bildebene (2) grundsätzlich horizontal ausgerichtet ist. Dies ist wichtig, da Bohrlöcher in größeren Teufen meist Abweichungen von der Lotrechten aufweisen, daß Grundwasser das Bohrloch im Meßabschnitt aber horizontal durchströmt. Der Tracer wird mittig auf Höhe des betrachteten Bildebenenausschnitts (2) mittels einer aus der Tracergebereinheit (3) in die Bildebene hineinragenden dünnen Vorrichtung (3a) freigesetzt. Diese Ausführungsform verhindert weitgehend eine Störung der freien Strömung auf der Bildebene (2). Das unterste Ende der Sonde weist eine Vorrichtung (11) zur Aufnahme eines an der Sonde ausgerichteten Kompanden (12) auf, mittels dem die registrierte Strömungsrichtung bezüglich magnetisch Nord bestimmt werden kann. Innerhalb des Packerabschnitts oberhalb des Meßraumes (4a) ist eine Lichtquelle (13), eine elektronische Zentralsteuerung (18), sowie elektronische Module des Videosensors (17) und Tracergebereinheit (19) untergebracht. Das von der Lichtquelle (13) emittierte monochromatische Licht wird mittels einer dünnen Licht­ leiterfaser (13a) in den Meßraum zum Lichtquellenaustritt (8) geleitet, wo der vom Videosensormodul (1) betrachtete Bildebenenausschnitt (2) während der Messung beleuchtet wird. Das nach oben abschließende Ende der Sonde wird von einer Halterungsvorrichtung (14) zur Führung der Sonde im Bohrloch, sowie Durchführungen (15) für Versorgungs- und Datenleitungen gebildet.The device for video recording, consisting of CCD video sensor module ( 1 ), emission filter ( 10 ) and optics ( 7 ), forms together with the tracer transmitter unit ( 3 ) and device for releasing the tracer substance ( 3 a) and the lighting device ( 13 a , 8 ) a unit which is arranged in a borehole section forming the measuring space between two packers ( 4 a, b). The whole. The device is designed as a probe, with which an uncased borehole or a borehole lined with filter tubes can be fed. Depending on the design of the packer devices ( 4 a, b), the method can be used for all borehole diameters larger than 2 ''. The upper and lower packer sections ( 4 a, b) are rigidly connected by at least three thin hollow tubes ( 5 a, b, c) which are led past the measuring space at the edges. They also serve to accommodate electrical lines for the compass ( 12 ) and pressure lines ( 16 ) for inflating the packers ( 4 a, b), and as a bypass ( 5 a) for vertical flows in the borehole. Vertical flows in the measuring space of the probe are prevented by the packers ( 4 a, b). In the measuring section, especially at the level of the image plane ( 2 ), the groundwater can flow freely through the borehole. The measuring room can be protected by a circumferential sealing shield while the probe is sunk. In the measuring room, the video sensor module ( 1 ) with optics ( 7 ) and emission filter ( 10 ) as well as light source outlet ( 8 ) and tracer transmitter device ( 3 , 3 a) is arranged at certain intervals and rigidly by means of three thin struts ( 5 d, e, f) connected with each other. This unit is suspended free-cardanically ( 9 ), so that the image plane ( 2 ) under consideration is basically aligned horizontally. This is important because boreholes in larger depths usually deviate from the vertical, but groundwater flows horizontally through the borehole in the measuring section. The tracer is released centrally at the level of the observed image plane section (2) by means of a protruding from the tracer transmitter unit (3) in the image plane thin device (3 a). This embodiment largely prevents a disturbance of the free flow on the image plane ( 2 ). The lowermost end of the probe has a device ( 11 ) for receiving a compand ( 12 ) aligned with the probe, by means of which the registered direction of flow with respect to magnetic north can be determined. A light source ( 13 ), an electronic central control ( 18 ), and electronic modules of the video sensor ( 17 ) and tracer transmitter unit ( 19 ) are accommodated within the packer section above the measuring space ( 4 a). The monochromatic light emitted by the light source ( 13 ) is guided by means of a thin optical fiber ( 13 a) into the measuring space to the light source outlet ( 8 ), where the image plane section ( 2 ) viewed by the video sensor module ( 1 ) is illuminated during the measurement. The end of the probe, which ends at the top, is formed by a holding device ( 14 ) for guiding the probe in the borehole, and feedthroughs ( 15 ) for supply and data lines.

Nach Absenkung der Sonde in die gewünschte Solltiefe wird diese durch Aufpumpen der Packervorrichtung (16, 4a, b) im Bohrloch fixiert. Nach einer Zeit der Anpassung wird der Meßvorgang durch Beleuchtung und videotechnische Erfassung des Bildebenen­ ausschnitts (2) eingeleitet. Unmittelbar darauffolgend wird der Tracer mittig in Höhe des betrachteten Bildebenenausschnitts (2) aus der Tracergebervorrichtung (3, 3a) freigesetzt. Das vom Tracer absorbierte, monochromatische Anregungslicht bedingt die Reemittierung von monochromatischem Licht abweichender Wellenlänge. Der Standort des so leuchtenden Tracerpartikels wird mittels einer Optik (7) und eines Emissionsfilters (10), der lediglich den Wellenlängenbereich des reemittierten Lichtes passieren läßt, auf die CCD-Videosensorfläche (1) fokussiert. Durch Strömungstransport bedingte Standortabweichungen des Tracerpartikels auf dem erfaßten Bildebenen­ ausschnitt (2) werden als Wanderung der virtuellen Lichtquelle oder Lichtquellenwolke auf der CCD-Videosensorfläche (1) fortlaufend registriert. Die virtuelle Bildgröße steht dabei zur realen Bildgröße idealerweise im Verhältnis 1 : 1. Die Verwendung eines Emissionsfilters (10) bewirkt die Eleminierung von Streulichteffekten und eine hell/dunkel Kontrastierung, was eine gute optisch-videotechnische Erfassung der Tracerpartikel gewährleistet. Bei vertikalem Drift der Tracer us der Bildebene kann die Bildebenen­ höhe heraus mittels einer einstellbaren Optik nachgeführt werden. Mittels der registrierten Bewegungskennwerte wird sofort Strömungsgeschwindigkeit und -richtung ermittelt. Bei Konstanz der Datenwerte ist die Messung beendet. Die Lichtquelle (13) wird abgestellt. Bei vertikaler Bewegung der Sonde im Bohrloch wird die Tracersubstanz durch Wasseraustausch und Verwirbelung aus der betrachteten Bildebene (2) entfernt. Sie kann aber auch mittels einer geeigneten Vorrichtung abgesaugt werden. Anschließend kann ein neuer Meßvorgang eingeleitet werden. Abb. 2 zeigt einen horizontalen Schnitt (A-A′) durch die Sonde in Höhe der fokussierten Bildebene.After lowering the probe to the desired target depth, it is fixed in the borehole by pumping up the packer device ( 16 , 4 a, b). After a period of adjustment, the measurement process is initiated by lighting and video-technical detection of the image plane section ( 2 ). Immediately afterwards, the tracer is released from the center of the tracer device ( 3 , 3 a) at the level of the image plane section ( 2 ) under consideration. The monochromatic excitation light absorbed by the tracer causes the re-emission of monochromatic light of a different wavelength. The location of the tracer particle shining in this way is focused on the CCD video sensor surface ( 1 ) by means of optics ( 7 ) and an emission filter ( 10 ) which only allows the wavelength range of the re-emitted light to pass. Location deviations of the tracer particle on the captured image plane section ( 2 ) caused by flow transport are continuously recorded as a migration of the virtual light source or light source cloud on the CCD video sensor surface ( 1 ). The virtual image size is ideally in a ratio of 1: 1 to the real image size. The use of an emission filter ( 10 ) eliminates stray light effects and bright / dark contrasting, which ensures good optical-video detection of the tracer particles. If the tracer of the image plane drifts vertically, the image plane height can be adjusted using adjustable optics. The flow speed and direction are determined immediately using the registered movement parameters. If the data values remain constant, the measurement is ended. The light source ( 13 ) is turned off. When the probe is moved vertically in the borehole, the tracer substance is removed from the image plane ( 2 ) under consideration by water exchange and swirling. However, it can also be suctioned off by means of a suitable device. A new measuring process can then be initiated. Fig. 2 shows a horizontal section (AA ') through the probe at the level of the focused image plane.

Außer den angeführten Patentschriften in Betracht gezogene Druckschriften:In addition to the patent specifications cited:

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  • 2. Barczewski, B. (1988): "Entwicklung eines Lichtleiterfluorometers zur Untersuchung von Transport- und Vermischungsvorgängen in Strömungen", Seminarband des AMA Seminars "Faser- und Integriert-optische Sensoren", Heidelberg 1988.2. Barczewski, B. (1988): "Development of an optical fiber fluorometer for investigation of transport and mixing processes in currents ", seminar volume of the AMA Seminars "Fiber and Integrated Optical Sensors", Heidelberg 1988.

Claims (11)

1. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung zur gleichzeitigen Feststellung der Grundwasser-Strömungsrichtung und -geschwindigkeit, welche mittels videotechnischer Registrierung von Standortveränderungen eines oder mehrerer optisch erfaßbarer Tracermedien, die innerhalb des Bohrlochs im Bereich der betrachteten Bildebene mit der zu vermessenden Wasserströmung frei transportiert werden, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der etwa parallel zur Strömung verlaufende Bildebenen­ ausschnitt stationär bezüglich der Bohrwandung ist und mittels einer entsprechenden optischen Vorrichtung die auf eine CCD-Matrixsensorfläche fokussierte virtuelle Bildgröße zu der realen Bildgröße des betrachteten Bildebenenauschnitts idealerweise im Verhältnis 1 : 1 steht, jedoch zwischen 1 : 100 und 100 : 1 variieren kann, d. h. die hohe videotechnische Bildauflösung wird auf den betrachteten Bildebenenausschnitt idealer­ weise im Verhältnis 1 : 1 übertragen, kann aber zwischen 1 : 100 und 100 : 1 variieren.1. Single borehole method or device for simultaneously determining the groundwater flow direction and speed, which, by means of video-technical registration of changes in location of one or more optically detectable tracer media, releases the water flow to be measured within the borehole in the area of the image plane under consideration transported, is determined, characterized in that the image planes running approximately parallel to the flow is stationary with respect to the drilling wall and, by means of an appropriate optical device, the virtual image size focused on a CCD matrix sensor surface ideally in a ratio of 1 to the real image size of the image plane section considered: 1 stands, but can vary between 1: 100 and 100: 1, ie the high video image resolution is ideally transferred to the viewed image plane section in a ratio of 1: 1, but can be between 1: 100 and Vary 100: 1. 2. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der videotechnisch betrachtete Bildebenenausschnitt im Bereich der freien Grund­ wasser-Durchströmung innerhalb des Meßraumes liegt.2. Single borehole method or device according to claim 1, characterized in that the video-plane detail viewed in the area of the free ground water flow is within the measuring room. 3. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das oder die beobachteten Medien ein oder mehrere Partikel von kolloidialer bis makroskopischer Größe sind, die im Meßraum auf Höhe der Bildebene der Strömung zugesetzt werden und vorzugsweise eine annähernde Dichte der umgebenden Flüssigkeit besitzen.3. Single borehole method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the observed media or one or several particles of colloidal to macroscopic size are in the measuring room be added at the level of the image plane of the flow and preferably one have an approximate density of the surrounding liquid. 4. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das oder die beobachteten Medien bereits im Bohrloch vorhandene, in Suspension befindliche Partikel sind.4. Single well method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the media or media already observed There are particles in suspension in the borehole. 5. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das beobachtete Medium ein Farbstoff ist, wobei Richtung und Geschwindigkeit dessen Verdünnung optisch mittels Auflicht, Durchlicht oder Eigenlichtemission registrierbar wird. 5. Single well method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the medium observed is a dye, the direction and speed of its thinning optically using incident light, Transmitted light or natural light emission can be registered.   6. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer den betrachteten Bildebenen­ ausschnitt beleuchtenden Lichtquelle der oder die Tracer aufgrund von Lichtreflexion, Lichtabsorption und Anregung zur Eigenlichemission optisch erkennbar und somit videotechnisch registrierbar werden.6. Single borehole method or device according to one of the preceding Claims characterized in that by means of one of the image planes under consideration cut-out illuminating light source or tracers due to light reflection, Light absorption and excitation for self-emission are optically recognizable and thus become technologically registrable. 7. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die optische Erfassung des oder der Tracer­ medien auf deren remanente oder induzierte Eigenlichtemission in Form von Phosphorizieren oder Fluoriszieren basiert, d. h. das Medium oder die Medien können phosphorizierende oder fluoriszierende Eigenschaften aufweisen.7. Single borehole method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the optical detection of the tracer or tracers media on their retentive or induced inherent light emission in the form of Phosphorizing or fluorizing, d. H. the medium or the media can have phosphorescent or fluorescent properties. 8. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsabläufe in Richtung und Geschwindigkeit eines oder mehrerer Medien fortlaufend oder in Intervallen video­ technisch registriert und in Datensignale umgewandelt werden, die mittels Hard- und Software unter Einbeziehung manuell eingegebener Daten ausgewertet, und auf einem geeigneten Ausgabegerät angezeigt werden.8. Single well method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the movements in the direction and Speed of one or more media continuously or at intervals video technically registered and converted into data signals that are generated by hardware and Software evaluated using manually entered data, and on a suitable output device are displayed. 9. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung mittels eines an der Sonde ausgerichteten Kompanden bezüglich magnetisch Nord ermittelt wird.9. Single well method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the flow direction by means of a Compand-oriented probe with respect to magnetic north is determined. 10. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormodul, Optik und Tracergeber- Vorrichtung als Einheit freikardanisch im Meßabschnitt des Bohrlochs aufgehangen sind.10. Single well method or device according to one of the preceding Claims characterized in that the sensor module, optics and tracer sensor Device suspended as a free gimbal in the measuring section of the borehole are. 11. Einzel-Bohrloch-Verfahren bzw. -Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Tracergeber-Vorrichtung als rasch auswechselbare Einsätze ausgeführt sind.11. Single well method or device according to one of the preceding Claims characterized in that parts of the tracer device as quick interchangeable inserts are executed.
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